锂离子电池由于其长循环寿命、高工作电压和能量/功率密度，已经广泛应用于个人电子产品与电动汽车领域。然而，锂资源的高成本以及稀缺性，促使研究人员开发新型的二次电池。其中，钠/钾离子电池由于其丰富的储量和可观的能量/功率密度有望成为下一代电能存储应用的候选者。但是，目前钠/钾离子电池的研究处于初级阶段，仍然存在很多问题等待进一步解决。南京师范大学化科院周小四教授课题组积极探索，不断尝试提升钠/钾离子电池性能的新方法，并在电极材料合成领域进行了深入研究，取得了一系列重要研究进展。
成果（1）：采用了自模板法合成了一种茧状P3型K0.5Mn0.7Ni0.3O2（KMNO）层状过渡金属氧化物材料，用于钾离子电池正极材料研究。相关成果以“Cocoon-shaped P3-type K0.5Mn0.7Ni0.3O2as an advanced cathode material for potassium-ion batteries”为题发表在Journal of Energy Chemistry上（J. Energy Chem. 2023, 76, 332–338）。Journal of Energy Chemistry是具有国际影响力的SCI核心期刊，影响因子为13.599。
茧状KMNO由纳米颗粒堆积组成，具有层状结构，可以加速钾离子的扩散动力学，减轻K+嵌入和脱出过程中引起的应力，提高结构稳定性。此外，Ni掺杂不仅可以缓解Mn3+造成的Jahn-Teller扭曲，抑制相变以稳定结构；还可以作为电化学活性元素，提供从Ni2+到Ni4+的两个电子的容量。结合结构和镍取代的优点，茧状P3型KMNO用于钾离子电池正极时，在高达500 mA g−1的电流密度下能够提供57.1 mAh g−1容量，在100 mA g−1下300次循环后容量保持率达到77.0%。令人印象深刻的是，KMNO和沥青衍生的软碳组装的全电池表现出优异的电化学储钾性能，在50 mA g−1下，可逆容量可达79.7 mAh g−1。此外，非原位XRD还进一步揭示了固溶体的单相反应机制，其体积变化仅为1.46%。该工作为制备高性能层状氧化物提供了一种新方法。
化科院20级硕士研究生段丽平是该论文的第一作者，南京师范大学为唯一通讯单位，周小四教授为通讯作者。
成果（2）通过一种简单的溶剂热法制备多孔碳包覆的NaTi2(PO4)3橄榄形纳米球作为钠离子电池负极材料，其表现出超稳定的储钠性能。相关成果以“An ultrastable sodium-ion battery anode enabled by carbon-coatedporous NaTi2(PO4)3olive-like nanospheres”为题发表在Journal of Colloid and Interface Science上（J. Colloid Interface Sci. 2023, 635, 417–426）。Journal of Colloid and Interface Science是国际知名学术期刊，影响因子为9.965。
NaTi2(PO4)3(NTP)是一种有前途的钠离子电池负极材料，由于其稳定的三维NASICON型结构、适当的氧化还原电位和较大的Na+容纳空间，引起了广泛的关注。然而，磷酸盐框架固有的低电子传导性降低了其电荷转移动力学，从而限制了它的应用。在此，设计合成一种具有碳包覆的多孔NTP橄榄状纳米球（p-NTP@C）来解决上述问题。基于实验数据和理论计算，发现该材料的多孔结构能够提供更多的活性位点，缩短Na+扩散距离。此外，碳涂层可以有效地改善电子和Na+扩散动力学。SEM和TEM图像显示所制备的p-NTP@C呈现出均匀的橄榄状纳米球结构，粒径约为200-300nm。还可以观察到明显的多孔结构，有利于电解质的渗透。作为钠离子电池的负极材料，p-NTP@C橄榄状纳米球表现出高可逆容量（0.1 C时为127.3 mAh g-1）和超稳定的循环性能（5 C时循环10000次后容量保持率为84.8%）。此外，由p-NTP@C负极和Na3V2(PO4)2F3@C正极组成的钠离子全电池也提供了出色的性能（在1 C下1000次循环后75.7%的容量保留），这种纳米结构设计为未来开发长寿命和高稳定性的NASICON型负极材料提供了一种可行的方法。
化科院21级硕士研究生满跃华是该论文的第一作者，南京师范大学为唯一通讯单位，周小四教授和莫祥银教授为共同通讯作者。
成果（3）：通过简单的自模板法合成了MOF衍生碳纳米棒与Se的复合材料作为K-Se电池的正极，以适应钾嵌入/脱出过程中的体积变化，从而表现出优异的电化学性能。相关成果以“Zn-MOF-74-Derived Carbon Nanorods as an Efficient Se Host for K-Se Batteries”为题发表在ACS Applied Energy Materials上（ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 13023–13030）。ACS Applied Energy Materials是ACS旗下的期刊，影响因子为6.959。
K-Se电池具有优越的迁移率和较低的氧化还原电位，是一种很有前途的碱金属−硫系化合物电池。然而，其缓慢的反应动力学和严重的多硒化合物溶解仍然是巨大的挑战。在此，通过Zn-MOF-74热解和随后的硒熔融扩散制备了具有相互连接的微孔结构的六方棱柱状碳纳米棒（HCR）作为宿主来负载硒（Se@HCR）。所得到的Se@HCR保持了Zn-MOF-74前驱体经过热处理后的六方棱柱状结构。这种结构具有较大的比表面积、牢固的化学键键合作用、有效的物理约束和高导电性3D碳框架。因此，通过构建Se@HCR可以实现高硒负载（55%）和充放电过程中更小的体积变化。获得的Se@HCR复合物在K-Se电池中表现出高可逆容量、优异的循环稳定性和倍率性能，在电流密度为0.1 C时，经过200圈循环后可提供498.7 mAh g−1高可逆容量，即使在2 C的高电流密度下，其可逆容量仍有291.5 mAh g−1。
化科院20级硕士研究生孙莹莹是该论文的第一作者，南京师范大学为唯一通讯单位，周小四教授和包建春教授为共同通讯作者。
成果（4）：综述了无定形FePO4用于钠离子电池正极的最新进展、合成方法与面临的挑战，着重探讨了无定形FePO4储钠性能的策略，并对FePO4材料未来发展方向提出了展望。相关成果以“Recent Advances in Amorphous FePO4 for Sodium-Ion Battery Cathodes”为题发表在Chemical Journal of Chinese Universities上（Chem. J. Chinese Universities, DOI: 10.7503/cjcu20220724）。Chemical Journal of Chinese Universities是国产知名经典期刊。
随着能源与环境问题的日益加剧，发展绿色能源存储与转化技术至关重要。作为一种环境友好型储能器件，钠离子电池的快速发展激发了对高性能正极材料的需求。作为一种前景广阔的钠离子正极材料，无定形FePO4凭借其高理论容量和卓越的电化学可逆性获得了广泛的关注。基于此，本文综述了无定形FePO4作为钠离子电池正极材料的研究进展，介绍了无定形FePO4的基本特征及其应用；其次，系统总结了其常见的合成方法，如模板法、水热法等，并对提升无定形FePO4储钠性能的策略进行了详细的介绍，例如与碳复合以提升FePO4的电子传导率、通过设计独特的FePO4纳米结构以缩短电子/离子的扩散路径。最后，对两种改性方法的有机结合进行了展望，并合理设计了可以充分发挥FePO4活性的新思路，强调了形貌结构和性能之间的紧密联系，并对该领域进行了总结与展望。
我校化科院21级本科生盛心茹是该论文的第一作者，南京师范大学为唯一通讯单位，周小四教授为通讯作者。
来源：南京师范大学
